33964 - IMPATTO AMBIENTALE DEI SISTEMI ENERGETICI M

Scheda insegnamento

SDGs

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.

Energia pulita e accessibile Consumo e produzione responsabili Lotta contro il cambiamento climatico

Anno Accademico 2021/2022

Conoscenze e abilità da conseguire

Obiettivo dell'insegnamento è lo studio dell’impatto ambientale determinato dall’utilizzo di sistemi energetici per la produzione di energia termica ed elettrica e la loro gestione volta alla minimizzazione di tali emissioni.

Contenuti

Introduzione al corso, consumi di energia primaria mondiali e nazionali. La produzione di energia elettrica in Italia. Classificazione delle fonti energetiche. La strategia energetica nazionale: obiettivi al 2030.

Definizione di sistema energetico. Legame tra calore scaricato e rendimento termodinamico. Considerazioni sulla variazione di calore associata ad una variazione di rendimento. L'inquinamento termico: calore scaricato mediante i fumi e dal circuito di raffreddamento. Condensatore ad acqua: diagramma di scambio termico e considerazioni sulla pressione di condensazione.

Sistemi di raffreddamento dei condensatori ad acqua: il ciclo aperto (vantaggi e svantaggi). I sistemi di raffreddamento a ciclo semichiuso: vasche evaporative e torri di raffreddamento ad umido a tiraggio naturale. Principio di funzionamento. Diagramma T-Q. Torri a circolazione forzata (vantaggi e svantaggi).

Bilancio energetico alla torre evaporativa: calcolo della quantità di acqua che deve evaporare per ottenere un certo raffreddamento. Il pennacchio: come si forma, rappresentazione sul diagramma psicrometrico, l'indice PVI. Bilancio in massa alla torre di raffreddamento: la portata persa per evaporazione, la portata di drift e la portata di spurgo. I drift eliminators ed il drift rate. Il concetto di Cicli di concentrazione (COC). Il particolato da torri di raffreddamento: il metodo EPA ed il metodo Freisman & Frisbie.

Torri di raffreddamento ibride e torri a secco. Il pennacchio nelle torri ibride. Condensatore ad aria, il problema degli incondensabili. I condensatori ad acqua e aria in parallelo. Confronto tecnico-economico-ambientale sui sistemi di raffreddamento analizzati.

Definizione di concentrazione molare, volumetrica e massica. Le emissioni inquinanti input based e output based.

Norme e decreti che regolano le emissioni inquinanti in Italia. Il testo unico ambientale. Le autorizzazioni integrate ambientali. Le Best Available Technologies (BAT) e i BREF.

Emissioni inquinanti: meccanismi di formazione degli NOx. Gli NO termici, reazioni fondamentali, la dipendenza dalla temperatura di combustione, dal rapporto di equivalenza, dalla pressione e dal tempo di residenza. NO di tipo prompt: la dipendenza dalla presenza di radicali idrocarburici. Gli NO da fuel e da protossido di azoto. Gli effetti sull'ambiente e sulla salute: lo smog fotochimico, le deposizioni acide, la distruzione di ozono ad alta quota. Meccanismi di formazione del CO: la dipendenza dalla temperatura e dalla quantità di ossigeno. Meccanismi di formazione degli SOX e gli effetti sull'ambiente. Meccanismi di formazione degli idrocarburi incombusti ed i principali effetti sull'ambiente. Meccanismi di formazione del particolato. Caratterizzazioni del particolato (carbonioso e non carbonioso, primario e secondario, in base al diametro). Gli effetti sull'ambiente e sulla salute umana. La CO2 e gli effetti sull'ambiente (effetto serra). Reazione di combustione di un generico idrocarburo e calcolo della concentrazione input based di CO2. L'effetto serra e il parametro GWP.

Cicli frigoriferi a singola e doppia compressione (layout, diagrammi log p -h, bilanci energetici ai componenti). Espressione dell'EER per valutare le prestazioni. I fluidi frigoriferi e l'impatto sull'ambiente: il GWP e L'ODP. Evoluzione normativa sui fluidi frigoriferi: dai CFC, alle HFO.

Elementi di combustione per l'impatto ambientale. Il rapporto di equivalenza, l'eccesso d'aria, i limiti di infiammabilità. La temperatura adiabatica di fiamma. Combustione premiscelata e diffusiva.

Impatto ambientale delle turbine a gas. Descrizione degli elementi principali che caratterizzano la camera di combustione di un gruppo turbogas. Principali elementi per il controllo di CO ed Nox. Le camere di combustione a basso impatto ambientale: iniezione di inerti (acqua o vapore), le camere di combustione a stadi (ricca-povera e povera-povere) e le camere di combustione di tipo premiscelato magro (DLE).

Lo SCONOX: principio di funzionamento, reazioni, il problema del lavaggio del catalizzatore. Impatto ambientale dei gruppi a vapore: generatori a carbone. La combustione su griglia.

Generatori di vapore a polverino di carbone.

Tecniche di abbattimento a valle della combustione: SNCR. I sistemi di abbattimento del particolato: Cicloni meccanici, filtri a maniche, precipitatori elettrostatici, filtro Venturi. Tecniche di abbattimento a valle della combustione: Wet and Dry scrubber per abbattimento SOX.

Tecniche di rimozione della CO2: cattura pre-combustione, combustione con ossigeno puro, separazione post combustione (sistemi ad assorbimento chimico e fisico). Il sistema ETS (emission trading scheme).

I rifiuti solidi urbani e i sistemi WTE: produzione di energia dalla combustione dei rifiuti solidi urbani. Descrizione di un impianto di termovalorizzazione: la combustione su griglia, la sezione di recupero energetico, i sistemi di trattamento fumi. Considerazioni sui principali fattori che penalizzano il rendimento di conversione di un WTE.

Le biomasse: definizione, suddivisione delle biomasse animali e vegetali (residui organici, colture energetiche dedicate). Vantaggi e svantaggi nell'utilizzo energetico delle biomasse. Caratterizzazione chimico-fisica delle biomasse. Il potere calorifico con l'espressione di Dulong Berthelot (il piano in in funzione di contenuto di ossigeno, idrogeno e carbonio). Processi termochimici, biochimici e meccanici. La combustione diretta: tipologie di combustori. La carbonizzazione, la pirolisi. La digestione anaerobica e aerobica. La fermentazione alcoolica e i processi meccanici di produzione biodisel tramite spremitura. Considerazioni sulle emissioni inquinanti delle caldaie a biomassa.

Energia geotermica: i sistemi idrotermali a vapore dominante (scarico in ambiente o a condensazione) e i sistemi ad acqua dominante (a vapore di flash e cicli binari) layout e T-s. I sistemi geotermici ibridi (con turbogas, con gruppo a vapore o con ciclo combinato). Le pompe di calore geotermiche.

I cicli Rankine a fluido organico (ORC): applicazioni, vantaggi, caratteristiche dei fluidi organici (pendenza curva limite superiore, pressione e temperatura critica e ampiezza curva). Layout del ciclo semplice e del ciclo con recuperatore. Valutazione delle prestazioni (potenza e rendimento) con e senza il recuperatore.

L'idrogeno come vettore energetico: proprietà fisiche; il concetto di efficienza di produzione; metodi di produzione (elettrolisi dell'acqua, steam reforming e ossidazione parziale). Lo stoccaggio dell'idrogeno (gassoso, liquido, idruri metallici). I sistemi di conversione: le celle a combustibile (principio di funzionamento, vantaggi e limitazioni). L'efficienza di produzione-restituzione come produttoria di rendimenti.

Testi/Bibliografia

"Sistemi Energetici" G. Negri di Montenegro, M. Bianchi, A. Peretto – Pitagora Editore

"Sistemi Energetici: Complementi" M. Bianchi, F. Melino, A. Peretto – Pitagora Editore

"Sistemi Energetici: Impatto Ambientale" M. Bianchi, A. De Pascale, A. Gambarotta, A. Peretto – Pitagora Editore

Metodi didattici

L’insegnamento si compone di 6 CFU in un singolo modulo. Sono previste lezioni di teoria e lezioni in cui verranno presentati una serie di esempi numerici ed applicazioni reali.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L’esame di fine corso ha lo scopo di valutare il raggiungimento degli obiettivi didattici, verificando le conoscenze che lo studente ha acquisito riguardo agli aspetti trattati nel corso

Il voto finale viene definito mediante un'unica prova orale che mira ad accertare le conoscenze dello studente in tutti gli argomenti trattati.

Strumenti a supporto della didattica

Materiale didattico: il materiale didattico presentato a lezione verrà messo a disposizione dello studente in formato elettronico
tramite piattaforma VIRTUALE.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Lisa Branchini